Solar Termica
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camaliot509698 -
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ENERGIAS ALTERNATIVAS
ENERGA SOLAR TRMICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA
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a energia do dia
CONTENIDO: Introduccin. Energa solar trmica. El colector solar. Conducciones. Almacenamiento: Acumuladores Intercambiadores. Bombas. Aislamiento. Otros elementos. Elaboracin de un proyecto sobre energasolar trmica. Clculo de la superficie colectora. Clculo de los elementos de una instalacin.
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ENERGA SOLAR TERMICA
INTRODUCCIN
El uso de la radiacin solar por el hombre como fuente de energa
requerida para la satisfaccin de necesidades diversas es una practica
que tal vez tiene su misma edad. Han transcurrido miles y miles de aos y
el sol sigue tan intenso y seguira asi por algunos millones de aos ms.
La utilidad energtica de la radiacin solar ya no es solo una esperanza o
una posibilidad. Es una realidad que va mucho ms all de la
conveniencia de su uso. Es ahora una nececidad imperiosa para
contribuir con el desarrollo de nuestros pueblos por que su uso no genera
contaminacin ambiental, existe en todos los lugares de la tierra y no se
agotara antes que el hombre desarrollo un sistema global de suministro
energtico limpio y sostenible.
El complemento de esta realidad es la tecnologa uno de cuyos
componentes de importancia singular es el equipamiento o artefacto a
travs del cual esperamos aprovechar esta fuente inagotable de energa
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ENERGA SOLAR TERMICA
CONVERSIN DE LA ENERGA SOLAR
Hoy por hoy son muchas y muy variadas las alternativas el uso de laES., la fig., 1 muestra y precisa el marco general de esta opcintecnolgica, dentro de las que se ubican los sistemas trmicos debaja temperatura.
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CONVERSIN DE LA ENERGACONVERSIN DE LA ENERGA SOLAR
FOTOTRMICA FOTOQUMICA FOTOVOLTAICA
CALOR ELECTRICIDADALMACENAMIENTO TRMICO
ENERGA QUIMICA
CELDA SOLARCOLECTOR SOLAR
CONVERSINTERMOELCTRICA
MOTOR A CALOR
CONVERSIN TERMOINICA
REACTOR SOLAR
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ENERGA SOLAR TERMICA
La energa trmica o calorfica, conocida como calor es unaforma particular de la energa, est relacionado con elmovimiento mas o menos desordenado de las partculasque componen los cuerpos materiales.
Para evaluar la cantidad de energa trmica que un cuerpopuede ser capaz de transferir a otro se introduce elconcepto de temperatura, que es una magnitud asociada acada estado de un cuerpo tal que la igualdad de esta parados cuerpos es condicin necesaria y suficiente para queentre ellos no se produzca en forma natural transferencia deenerga trmica.
El calor se manifiesta, pues, nicamente cuando existe unadiferencia de temperatura entre dos cuerpos, es decir, unadiferencia de su nivel trmico
ENERGA SOLAR TRMICA
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COLECTORES SOLARES
EL COLECTOR SOLAR PLANO
CORTE TRANSVERSAL DEL COLECTOR PLANO
Avidro=Aabsoro perdas elevadas
Grande ngulo de aceitao colector estacionrio
Capta radiao directa e difusa
Temperaturas < 50C
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COLECTOR SOLAR PLANO DE TUBOS DE VACOTUBOS DE VCUO
Absorvedor em vcuo perdas baixas
Grande ngulo de aceitao colector estacionrio
Capta radiao directa e difusa
Temperaturas > 50C
COLECTORES SOLARES
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COLECTORES SOLARES
CONCENTRADOR
Acaptao >> Aabsoro concentrador
ngulo de aceitao ~1 Seguir o Sol
Capta apenas radiao directa
Temperaturas > 200C
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COLECTORES SOLARES
COLECTOR PLANO CPC (Concentrador Parablico Composto)
1. Perfil de alumnio anodizado;2. Vedante de borracha E.P.D.M.;3. Isolamento em poliuretano expandido
livre de CFCs; 4. Alheta selectiva em ambas as faces;5. Chapa de poliestireno; 6. Vidro temperado c/ 3 mm de espessura;7. Tubo de cobre 22mm; 8. Alumnio espelhado de alta reflectividade;
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COLECTORES SOLARES
vidroabsorvedor
isolamento
caixa
Avidro > Aabsoro Concentrador
ngulo de aceitao amploSegue o Sol
Capta radiao directa e difusa
Temperaturas at 100C
Grelha
menor rea => menor factor de perdas trmicas (w/m2.C)
Superfcie selectiva (ambas as faces)
Coeficiente de emisso muito baixo
Coeficiente de absoro muito elevado
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RENDIMIENTO DE COLECTORES
RECTA DE RENDIMENTO
Temp. ambiente = 25C;
Irradiao Global horizontal = 1000 W/m2;
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165 175 185 195
Tfpreto bao s/ cobertura preto bao c/ cobertura
selectivo CPC
piscinas, estufas
AQS, pr-aquecimento industrial
pr-aquecimento industrial, frio
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FUNCIONAMIENTO DEL COLECTOR
TIPO DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS
Transferncia de energia utilizando a circulao natural do fluido (pela diferena de densidade);
Dispensa sistema de controlo;
Dispensa sistema de bombagem;
Transferncia de energia utilizando a circulao forada (bomba circuladora);
Necessita de sistema de controlo;
Necessita de sistema de bombagem;
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INCLINACION DE LOS COLECTORES
CAMPO DE COLECTORES - INCLINAO
Vero
Inverno
Vero (hotis de temporada) Lat - 15
Utilizao Inclinao
Anual (domstico, outra no sazonal) Lat (15 50) 5
Inverno (aquecimento) Lat + 15
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POSICIN DE LOS COLECTORES
CAMPO DE COLECTORES - INCLINAO
O posicionamento dos colectores determina a quantidade de radiao solar aproveitvel ao longo do perodo de utilizao anual.
A orientao que maximiza a quantidade de radiao aproveitvel coincide com o Norte geogrfico.
OE
S
N5
N magntico
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CAMPO DE COLECTORES - SOMBRAS
Determinao das zonas de sombreamento ao longo do ano:
E
O
S
N
as = -15 50
as = -5
h = 10
ZONAS DE SOMBREAMIENTO
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As projeces estereogrficas permitem determinar zonas de sombreamento ao longo do ano:
PROYECCIONES ESTEREOGRFICAS
Puno: lat aprox. 16
-40
35
h < 11
-16 < as < -5
E
N
0
-15
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POSICIN DEL SOL
DIAGRAMA SOLAR PARA PUNO
Para conocer cul es la
posicin del sol en cada
instante es necesario y
suficiente conocer cuanto
valen las coordenadas
que la definen como son
su azimut y su altura.
Estos ngulos dependen
de la latitud, la hora y el
da del ao.
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CAMPO DE COLECTORES DISTANCIA ENTRE FILAS
A distancia entre filas de colectores deve garantir que s 12:00 horas solares do dia mais desfavorvel (21 de Dezembro) a sombra da aresta superior duma fila tem que projectar-se, no limite, sobre a aresta inferior da fila seguinte.
zh0
d1 d2
d
Lh0 = ( 90 - lat ) - 23.5
d = d1 + d2
Solstcio de Inverno
= z / tan h0 + z / tan b
d = L (sen b / tan h0 + cos b)
POSICIN DEL SOL
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ACUMULAO SOLAR
O carcter no permanente do recurso solar torna imprescindvel a utilizao de um equipamento para acumulao da energia recolhida ao longo de um perodo, regra geral, dirio: o depsito, que dever assegurar:
Reduzidas perdas trmicas;
Volume adequado;
Temperatura de utilizao adequada;
Rpida resposta ao consumo;
Boa integrao no edifcio;
Baixo custo;
Longa durao;
Segurana;
TANQUE DE ALMACENAMIENTO
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PERMUTADORES DE CALOR
PERMUTADOR DE CAMISA PERMUTADOR DE SERPENTINA
Nas aplicaes relacionadas com a energia solar trmica, recomenda-se uma potncia de permuta de 750 W/m2 de colector.
Apresenta baixa eficcia (0,35);
Utilizado para pequenos volumes;
Apresenta mdia eficcia (0,55);
Utilizado para pequenos e mdios volumes;
INTERCAMBIADOR DE CALOR
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PERMUTADOR DE PLACAS Apresenta a maior eficcia (0.75);
Utilizado em mdios/grandes volumes;
So modulveis podendo acrescentar-se placas consoante necessidades futuras;
Na utilizao em piscinas dever escolher-se um permutador de material resistente corroso causada pelo tratamento da gua.
No esquecer que necessitam de isolamento trmico;
Possibilidade de limpeza (placas desmontveis);
Perda de carga mais elevada;
INTERCAMBIADOR DE CALOR
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BOMBAS CIRCULADORAS
BOMBAS PARA CIRCULACION FORZADA
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CONTROLO
CD
T1
T2
I/O
DT arranque
DT paragem
T1 T2 2 C
T1 T2 5 C
CONTROL DE BOMBA
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FLUIDO DO CIRCUITO PRIMRIO
Mistura de gua com anti-congelante;
No txico;
Propriedades anti-corrosivas;
ANTICONGELANTE Y ANTICORROSIVOS
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ESQUEMA UNIFILAR
CD
utilizao
1
2
3
4 5
5
5
6
6
7 7
7
7
7
7
8
9
5
ELEMENTOS PARA CIRCULACIN FORZADA
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Purgador Solar
ACESSRIOS
Vlvula de corte p/ purgador
Separador de micro-bolhas
Misturadora termosttica
Vlvula de segurana Vlvula de corte com reteno Vaso de expanso
EQUIPOS Y ACCESORIOS
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INTRODUCCIN GENERAL
DISEO DEL PERFIL PARA UN COLECTOR
SOLAR PLANO CPC
Colectores de Concentracin
El principio es el de concentrar mediante procedimientospticos, la energa que irradia el sol entra al colectorconcentrador, a travs de una superficie determinada esreflejada, refractada o absorbida por una supercie menor,para luego ser transformada en energa trmica.
La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo lareduccin de las prdidas trmicas en el receptor, pues al serste de menor supercie habr menos rea para la radiacindel calor y por lo tanto el lquido que circula por el receptorpuede calentarse a mayores temperaturas con unrendimiento razonable.
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INTRODUCCIN GENERAL
DISEO DEL PERFIL PARA UN COLECTOR
SOLAR PLANO CPC
Las reflexiones y refracciones extras de la radiacin solarhacen aumentar las prdidas pticas y entonces las curvasrepresentativas del rendimiento, parten de ordenadas en elorigen menores que las de un colector plano, pero no tienenla pendiente pronunciada, caracterstica de estos ltimos .
Tipos de Colectores ConcentradoresSe clasifican en dos categoras bsicas:
a. Los de enfoque:
b. Los fijos o semijos:
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INTRODUCCIN GENERAL
Los de enfoque: Los concentradores de enfoque constanfundamentalmente de tres partes: el concentrador o sistema
ptico, el receptor donde se encuentra el receptor
(absorbedor) y un mecanismo de seguimiento para el sol y
con ellos se puede lograr altas temperaturas en el
absorbedor
Los fijos o semijos: Tienen las mismas partes que de los deenfoque con la nica diferencia que estos no poseen un
mecanismo de seguimiento, estos concentradores son
estacionarios, con algunas variaciones.
Y a su vez estos concentradores son de foco lineal (2D) y
foco puntual (3D).
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INTRODUCCIN GENERAL
COMPONENTES
PRINCIPALES :
- Reflector cilndrico
parablico
- Tubo absorbente
- Sistema de seguimiento
del sol
- Estructura metlica
COLECTORES SOLARES DE ENFOQUE DE FOCO LINEAL (CCP)
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INTRODUCCIN GENERALCOLECTORES SOLARES FIJOS Y SEMIFIJOS DE
FOCO LINEAL (CPCs)
COMPONENTES
PRINCIPALES :
- Reflector parablico
compuesto
- Receptor (absorbedor)
- Sistema estacionario
- Estructura metlica
reflectores
receptor
estructura
reflectores
caja
estructura
receptores
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INTRODUCCIN GENERAL
COLECTORES SOLARES DE ENFOQUE (FOCO PUNTUAL)
COMPONENTES
PRINCIPALES :
- Reflector paraboloide
- Receptor puntual
- Sistema de seguimiento
del sol
- Estructura metlica
receptorreflector
estructura
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INTRODUCCIN GENERALTipos de Receptores en los Concentradores
Los de foco lineal: Son aquellos concentradores diseados en dos
dimensiones (2D), que tienen su foco
(receptor) lineal, estos pueden ser
con seguimiento y sin seguimiento.
Los de foco puntual: Son aquellos concentradores diseados
en tres dimensiones (3D), que tienen
su foco (receptor) puntual, estos son
con seguimiento.
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CLASIFICACION DE LA RAZON DE CONCENTRACION
Razn de concentracin mxima terica (Cmax): Se
establecen los lmites superiores para la razn de concentracin
en sistema 2D.
Cmax = 1/sen
Razn de concentracin geomtrica (Cg): Viene ha ser la
relacin del rea de captacin (Ac) entre el rea del receptor (Ar)
en 2D.
Cg = Ac/Ar
Razn de concentracin ptica de concentracin
(Copt_conc): Es la razn del nmero de rayos que inciden y el
nmero de rayos absorbidos en el receptor.
Cg = N rayos que inciden/N rayos absorbidos
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Colector tipo CPC Colector Plano
Ar < Ac Ar = Ac
Prd. trm. proporcional a Ar Prd. trm. proporcional a Ar
C > 1 C = 1
Capta radiacin difusa Capta radiacin difusa
Temp. ms elevadas Temp. menos elevadas
Menor peso, Para una misma rea Mayor peso de aceptacin
95Lt/m2 60Lt/m2
varias aplicaciones pocas aplicaciones
Menor ngulo Mayor ngulo
Fijo, semifijo, seguimiento Fijo
COMPARACION ENTRE COLECTOR CPC Y PLANO
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Concepcin de Diseo del Perfil CPCEl diseo del colector tipo CPC en 2D, conocido tambin como
colector de Winston.
Basado en un principio de diseo general por aumentar al
mximo la razn de concentracin C, para la radiacin dentro
de un ngulo medio de aceptacin dado +- .
El CPC concentra la radiacin solar de una forma ideal mxima,
esto es, en los lmites permitidos por las leyes de la Fsica
(reflexin, refraccin), es decir la razn de concentracin (C),
de un concentrador en 2D, tambin est en funcin del
semiangulo de aceptacin (), entonces para un CPC:
DISEO DEL PERFIL CPC
C =1/Sen=Ac/Ar.
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ECUACIONES BSICAS PARA DETERMINAR EL PERFIL DEL CPC
Ecuacin Polar del Crculo (Envolvente)
rSenY
rCosX
Geometra y Ecuacin de la Parbola
2/1cos1
22sen
ffr
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a energia do dia
2/1cos1
22sen
ffr
Una forma paramtrica ms compacta usando la ecuacin polar
de la parbola
senasenfsen
x cos1
)(2 max
coscos1
)(cos2 max asenf
y
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a energia do dia
)1( maxsenaf
1)3)(1()2(cos2
)1(2)cos(
maxmax
2
maxmax
2
max
2
maxmax
sensenaysena
xsenaysenx
cos1
)(2 max afsen
x
Por rotacin de ejes y traslacin del origen se obtiene la
ecuacin de la seccin meridiana de la parbola del CPC. En
trminos del dimetro 2a de la abertura de salida y elsemingulo de aceptancin ().
cos1
)cos(2 maxfy
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EL PRINCIPIO DE LOS RAYOS DE BORDE
Denominado tambin principio de rayos extremos, con razn de
concentracin que se acerca al valor terico mximo, para el CPC
2D. da el cual hace que todos los rayos del ngulo de la entrada
extremo cae sobre el borde del receptor, es decir que los rayos
entran al ngulo mximo 2 que sern tangentes a la superficiedel receptor (absorbedor) despus de una reflexin.
Los Concentradores los cuales pueden disearse para satisfacer
este principio alcanzan o muy estrechamente se aproximan a la
concentracin permisible mxima (Cmax) para un campo angular.
FORMA BSICA DEL CPC
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a energia do dia
A
B CC
Curva circular (envolvente)
con centro en el punto CC
Curva parabolica
con foco en el punto CC
y con eje focal inclinado
grados
Curva parabolica
con foco en el punto A
y con eje focal inclinado
grados
Curva parabolica truncada
con foco en el punto B
y con eje focal inclinado
grados
Angulo de
aceptacin
Rayos extremos (o de borde)
siempre que >
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FORMULAS PARA EL TRUNCAMIENTO DEL CPC
Si nosotros truncramos el CPC quitando parte de la abertura
final de entrada, nosotros obtenemos una reduccin considerable
en la altura del CPC, reducindose la razn de concentracin
mxima terica (Cmax), mnimamente entonces esta reduccin
de la altura, es compensado
econmicamente por el ahorro en la plancha de receptor.
Por tanto las relaciones deseadas en trminos del sistema de
coordenadas polares (r, ) para diseo en geometra 2D.
2
12a
sen
senfa
T
iTT
2
1
cos
2
a
sen
fh
T
iT
T
Ancho de truncamiento:
Altura de truncamiento:
-
max
min
)1('21arccos
r
sena
Angulo de coordenada polar mnimo:
Distancia del foco Q a un punto P del concentrador
Distancia del foco Q a un punto Pmax. del concentrador
T
iTT
sen
fL
2
1
)cos(
2
cos1
)1('2 senar
sen
aar
)'(max
Longitud de truncamiento del reflector:
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Diseo del Perfil CPC
Los clsicos diseos de rayos extremos, exigen al reflector y
receptor estar juntos. Sin embargo, esto puede ser indeseable
por las razones prcticas tal como la necesidad de aislar el
receptor trmicamente de sus alrededores (espejos reflectores),
es decir que provocara un deterioro prematuro del receptor por
las altas temperaturas alcanzadas en el receptor.
En los diseos se han encontrado vacos entre el receptor y el
reflector, que permiten aislar esto . El diseo depende de la
forma del receptor que se elija. De tal manera es posible disear
una ptica ideal (2D), para cualquier tipo de receptor. En este
caso los clculos se inician a partir de un receptor de seccin
triangular que ser el receptor ideal.
El criterio ms importante para el diseo del colector CPC en
(2D), es escoger un ngulo de aceptacin, de tal forma que se
garantice que luego de orientado hacia el sol no necesite
reorientacin.
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Parmetros de Clculo para el Diseo del CPC
Replanteando las ideas anteriores debemos
seleccionar un CPC que tenga una razn de
concentracin mxima ideal (Cmax), que este
dentro del lmite (1 < C < 2), de tal manera que no
requiera seguimiento durante el da, mayor ngulo
de aceptacin posible y que sea truncada a una
altura tal que se logre usar menos reflectores. La
razn de concentracin es inversamente
proporcional al ngulo de aceptacin por lo tanto
debemos buscar un punto de equilibrio. Para
disear el perfil del CPC, se ha implementado un
programa informtico (CPC-nonimaging),
desarrollado en el software MATHEMATICA.
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Seleccin del receptor comercial circular.
El receptor circular debe ser lo mas pequeo posible de manera
que no disminuya la capacidad trmica del mismo, porque a
mayor tamao de receptor mayor perdida por conveccin y
radiacin y la vez la concentracin ptica disminuye.
Se selecciona tubera de cobre de 1/2", comercial.
Ingreso de parmetros de clculo.
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Secuencia del Trazado de las Curvas del Perfil CPC
Primero: receptor ideal y real
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Segundo
Tercero
Porcin de curva circular (envolvente)
Primera porcin de parbola.
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a energia do dia
Quinto
Cuarto
Tercera porcin de parbola con receptor
ideal
Segunda porcin de parbola con receptor
ideal
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Sexto: Perfil CPC truncado final ideal
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Stimo: Perfil del CPC truncado con receptor circular con aletas
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Resultado de parmetros de clculo.
Ejemplo de clculo de diseo del perfil CPC.
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Reflectores de
aluminio
Receptor circular
con aletas
LCPC
Ancho de entrada
Ancho de receptorhT
Distancia de reflector
a receptor
LT
Esquema isomtrico y de frente del CPC
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a energia do diaDimensiones del clculo correspondiente al procesode diseo del colector CPC, en mm.
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Ingreso de parmetros para el Ray-tracing
Concepto del ngulo de barrido para el trazo de rayos
Angulo de barrido significa el ngulo en la cual el programa
simula que los rayos solares inciden en el colector. Por ejemplo
si el ngulo de aceptacin de un colector es de 30, el
programa simula que los rayos inciden en este con un ngulo
menor, por ejemplo 29, 20, etc.,
y calcula el total de rayos que inciden en el receptor entre el
total de rayos que ingresan al CPC, que seria la efic. Opt. De
concentracin.
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Si el receptor es ideal este valor seria 100%, pero cuando
uno cambia la forma del receptor este valor varia, y se tiene
que tener en cuenta que este debe ser lo mas pequeo
posible de manera que no disminuya la capacidad trmica
del mismo, porque a mayor tamao de receptor mayor
perdida por conveccin y radiacin y la vez la
concentracin ptica disminuye.
Si al cambiar la forma del receptor se incrementa la
eficiencia ptica significa que el receptor a crecido, uno
puede incrementar tanto como quiera hasta que la
eficiencia ptica sea siempre 100%, pero se pierde
eficiencia trmica.
Cont. Concepto del ngulo de barrido para el trazo de rayos
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Simulacin del trazo de rayos para el receptor ideal y real.
ngulo de incidencia 30
ngulo de incidencia 15
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ngulo de incidencia 0
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ngulo de incidencia 30
ngulo de incidencia 15
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Simulacin del trazo de rayos para el receptor real.
ngulo de incidencia 30
ngulo de incidencia 15
-
ngulo de incidencia 0
-
ngulo de incidencia 15
ngulo de incidencia 30
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Terminado la secuencia del Ray-tracing, se obtienen losresultados de la razn de concentracin ptica y laeficiencia ptica de concentracin del CPC ideal y real(receptor circular con aletas)
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DIMENSIONAMIENTO Y CONSTRUCCIN DEL
COLECTOR SOLAR (CPC)
RECEPTOR
En este modelo, el receptor del colector esta formado por
tres tuberas con aletas cuyo esquema general se muestra
en la figura siguiente.